第一章   緒論 

1.1  壓力容器熱處理變形國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)對于造成壓力容器熱處理變形產(chǎn)生因素的理論分析很多，基本上可以準確得對各個因素進行分析，同時也可以針對各個原因總結(jié)出一些防止變形的措施辦法，這些防變形措施主要有以下幾個方面：作為壓力容器焊后熱處理使用的熱處理爐，不得使用燃煤或焦炭作為熱處理燃料；熱處理爐應(yīng)使用計算機程序控制等自動化方式來自動控制整個熱處理過程，應(yīng)配備溫度測量、控溫和報警系統(tǒng)，做到對整個熱處理過程升溫、保溫、降溫的有序控制，實現(xiàn)溫度的自動記錄；要保持熱處理爐在熱處理過程中適時保證正壓，讓加熱設(shè)備的熱處理介質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)流動，并且要能夠?qū)t內(nèi)加熱區(qū)域的氣氛進行控制，防止焊件表面被過度氧化。設(shè)備整體長度較大尤其是立式塔器壓力容器在進爐后，由于設(shè)備本身的支座較少或者沒有支座，這時就需要增加臨時支座支墊，避免因設(shè)備本身支座跨度較大，在設(shè)備熱處理過程中出現(xiàn)旁彎，導(dǎo)致直線度超差的情況出現(xiàn)。對于設(shè)備直徑較大、殼體鋼板厚度較小的，應(yīng)進行相應(yīng)的內(nèi)部加強。 因為在這種工況下，設(shè)備殼體圓筒的剛性結(jié)構(gòu)會隨著圓筒直徑的增加而逐漸降低，在熱處理溫度下將無法抵抗自身自重帶來的影響，導(dǎo)致設(shè)備圓筒由圓形向橢圓形狀變化，從而使得設(shè)備圓度超差。因此需要額外的在容器內(nèi)部布置加強支撐來對殼體的變形進行有效控制。對于分段進行熱處理的壓力容器設(shè)備，由于分段處穩(wěn)定性較差，分段端口處應(yīng)進行支撐加強。在一臺完整的壓力容器設(shè)備中，一般在兩端都包含兩個封頭，封頭在一定程度上會對設(shè)備殼體起到一定的加固保護作用，在熱處理過程中會對設(shè)備殼體的變形控制起到一定的作用。然而對于一些設(shè)備，由于長度較長，超過了壓力容器制造單位配置的熱處理爐的最大熱處理長度時，就需要將設(shè)備殼體進行分段熱處理。這些分段后的壓力容器設(shè)備在分段界面端口區(qū)域，由于缺少必要的加固支撐，在熱處理過程中會因為自重而發(fā)生變形，因此需要對該區(qū)域在熱處理工序前進行支撐加強。
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1.2  本論文研究目的和意義 
本論文通過對石油化工行業(yè)中大型塔類設(shè)備分段進行焊后熱處理時，由于措施不當從而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生變形作為案例進行分析。通過分析，找出此類設(shè)備在進行焊后熱處理時發(fā)生變形的原因，詳細地對每一個原因進行分析，弄清楚每一種變形原因發(fā)生的機理，并有針對性地提出相對應(yīng)的預(yù)防措施，以防止設(shè)備熱處理變形的再次發(fā)生，為壓力容器制造單位在進行類似設(shè)備焊后熱處理時的防變形操作提供理論指導(dǎo)和技術(shù)幫助。壓力容器在關(guān)系國家命脈的石油化工、航空航天、醫(yī)藥、新能源制造等方面都有著非常廣泛的應(yīng)用。壓力容器使用廣泛、數(shù)量大，又由于是非常容易發(fā)生破壞性事故的設(shè)備，因此它的制造質(zhì)量和使用安全受到國家的重點監(jiān)控，也是其使用行業(yè)的重點設(shè)備。 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油化工行業(yè)也向著大型化、集約化的方向進行發(fā)展。作為石油化工行業(yè)裝置的重要組成部分，壓力容器設(shè)備也相應(yīng)地向著大型化的方向發(fā)展。與以往的常規(guī)尺寸的壓力容器設(shè)備相比，隨著設(shè)備直徑、長度的加大，設(shè)備的制造難度也在成倍地增加，例如壓力容器設(shè)備的成型、焊接、焊后消除應(yīng)力熱處理等工序。 塔類設(shè)備作為壓力容器設(shè)備中的一種，在石油化工行業(yè)中的催裂化、加氫、制甲醇等各個裝置中有著非常廣泛的應(yīng)用，是這些裝置中的核心設(shè)備，直接影響著這些整個裝置地高效運行和使用安全。隨著壓力容器設(shè)備大型化的發(fā)展，由于塔類設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點的特殊性，很多時候由于施工現(xiàn)場的吊裝運輸、熱處理爐熱處理能力的限制，需要進行分段制作、運輸。設(shè)備在分段后，由于設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的不完整，在進行焊后消除應(yīng)力熱處理的過程中，很容易由于自身支撐能力不足而發(fā)生變形，，嚴重得甚至?xí)䦟?dǎo)致整臺設(shè)備的報廢，給壓力容器設(shè)備制造企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，給整個項目的施工造成工期延誤的影響。 通過本論文的研究，為壓力容器制造企業(yè)在進行壓力容器熱處理時采取的防變形措施提供理論和實際操作方面的指導(dǎo)，從而杜絕熱處理變形，提高壓力容器設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，降低制作企業(yè)損失風(fēng)險。 
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第二章   熱處理變形分析理論

2.1  焊后熱處理理論
熱處理是將金屬加熱到一定溫度，并在此溫度下恒溫一定時間，然后以各種不同冷卻速度冷卻到常溫，以改變金屬內(nèi)部的組織及應(yīng)力狀態(tài)，達到改善金屬材料或設(shè)備使用性能的一種處理方法。按照熱處理的要求，可以分為改善機械性能的熱處理、焊后消除應(yīng)力熱處理和提高金屬材料或容器抗腐蝕性能的熱處理三種。而在壓力容器制作過程中，我們常說的熱處理指的是焊后消除應(yīng)力熱處理。壓力容器在焊接過程中，由于以下原因：如焊接接頭區(qū)域具有非常陡峭的溫度梯度；隨著溫度的變化，會引起焊縫金屬區(qū)、熱影響區(qū)以及母材的幾何尺寸和屈服強度的變化；焊縫金屬的逐步凝固；冷卻時焊接接頭伴隨著相變而發(fā)生體積改變等等，都會導(dǎo)致焊縫及焊縫熱影響區(qū)存在著不同程度的殘余應(yīng)力及硬化組織，其應(yīng)力大小及硬化程度隨母材的合金含量、板厚、施工工藝和結(jié)構(gòu)剛度而定。如果焊接接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力偏高而不加以消除，可能會產(chǎn)生以下危害： ①  使焊件形狀和幾何尺寸穩(wěn)定性喪失。即當焊件需進行某種機械加工時，由于局部高峰值應(yīng)力及反作用應(yīng)力的作用，可能產(chǎn)生變形。 ②  促成應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕裂紋是一種脆性斷裂，拉伸應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的必要條件，有焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力通常是最大的拉應(yīng)力，故應(yīng)力腐蝕裂紋常垂直于焊縫軸線。尤其在氯化物、氨、硝酸鹽、濕 H2S 等介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕裂紋更易發(fā)生。 
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2.2  熱處理變形機理
壓力容器的焊后熱處理是一個加熱、保溫、冷卻的過程，在這個過程中因為溫度和材料本身組織結(jié)構(gòu)的變化，會不可避免地產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。我們平時所說的熱處理變形，就是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同影響的結(jié)果。 在熱處理時，設(shè)備零部件材料隨著加熱、降溫過程產(chǎn)生了很大的溫度變化，并且在一定的溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，因而導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生。從力學(xué)角度上講，當材料的內(nèi)部應(yīng)力大于其相應(yīng)溫度下的塑性極限時，材料將發(fā)生塑性變形，這也就是熱處理變形的根本原因。零件在加熱或冷卻過程中，特別是在冷卻強烈的介質(zhì)中淬火時，由于零件各部分之間的溫差而產(chǎn)生熱脹或冷縮量差，因而，在不同縮、脹區(qū)之間產(chǎn)生了互相牽制的應(yīng)力。零件受熱膨脹或膨脹量較大部分，勢必對為膨脹或膨脹量下較小的部件產(chǎn)生拉應(yīng)力；同時，未受熱膨脹或膨脹量小的部分勢必牽制膨脹量大的部分，使其不能自由膨脹，于是膨脹量大的部分受壓應(yīng)力。這種相互牽制的力，稱之為熱應(yīng)力。 
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第三章   影響焊后熱處理變形因素及減小變形措施 ..... 10 
3.1  溫度是產(chǎn)生變形的關(guān)鍵因素 ....... 10 
3.2  結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性對熱處理變形的影響 ......... 10 
3.3  支撐結(jié)構(gòu)的合理性對熱處理變形的影響 ..... 10 
3.3.1  熱處理支撐底座設(shè)置的必要性 ..........11 
3.3.2  熱處理內(nèi)部支撐設(shè)置的必要性 ..........11 
第四章    熱處理變形案例分析 ............ 13 
4.1  案例描述 ............ 13 
4.2  熱處理溫度分析 ......... 14 
4.3  熱處理支撐分析 ......... 17 
4.3.1  熱處理支撐底座分析 ....... 17 
4.3.2  熱處理內(nèi)部支撐分析 ....... 26 
第五章   壓力容器熱處理防變形措施分析 ............ 28 
5.1  熱處理爐符合規(guī)范要求 ...... 28
5.2  使用合理的熱處理工藝 ...... 32 
5.3  均衡布置設(shè)備熱處理支撐底座 ............ 34 
5.3.1  熱處理支撐底座結(jié)構(gòu) ....... 34 
5.3.2  熱處理支撐底座的布置 ............ 36 
5.3.3  熱處理支撐底座的驗證計算 .... 36 
5.4  對設(shè)備進行合理的內(nèi)部支撐 ....... 43 

第五章   壓力容器熱處理防變形措施分析 

根據(jù)對上述案例的分析，結(jié)合我自己多年在壓力容器生產(chǎn)一線工作經(jīng)驗和目前國內(nèi)同行業(yè)壓力容器制造單位的制造技術(shù)，對大型塔式壓力容器設(shè)備的在進行焊后消除應(yīng)力熱處理時的熱處理防變形技術(shù)措施進行總結(jié)。 

5.1  熱處理爐符合規(guī)范要求 

國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)進行焊后消除應(yīng)力的熱處理爐一般是臺車式熱處理爐，一般按照采用的加熱介質(zhì)不同分為天然氣熱處理爐、燃油熱處理爐、電加熱熱處理爐三種。目前國內(nèi)普遍采用的是天然氣熱處理爐，它的優(yōu)點是燃燒充分、無污染、加熱速度快，最高使用溫度可達 650℃～1200℃。燒器由配有進口 PLC 為核心的專用智能燃燒控制器控制，可實現(xiàn)自動點火、大小火切換、熄火報警、熄火保護及再點火等全過程的自動/手動控制，同時控制器具有“系統(tǒng)”、“本機”、“手控”三種控制模式下自動不間斷切換功能�？刂破鹘涌诳膳c溫控系統(tǒng)或工控機系統(tǒng)聯(lián)接，形成閉環(huán)控制。 

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總結(jié) 

壓力容器設(shè)備作為國家重點管控的特種設(shè)備中的一種，在國民經(jīng)濟的各個支柱行業(yè)中均有非常廣泛的使用，由于其在使用過程中的高危性，因此國家對其制造質(zhì)量有著非常嚴格的要求。焊后消除應(yīng)力熱處理作為壓力容器制造過程中的一道制造工序，對保證壓力容器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能有著非常重要的作用。熱處理變形是壓力容器設(shè)備焊后消除應(yīng)力熱處理時最常見缺陷的一種，對于大型塔器設(shè)備來說尤為明顯。因此作為廣大從事熱處理技術(shù)的工作人員來說，弄清楚大型塔器設(shè)備在進行焊后消除應(yīng)力熱處理時發(fā)生變形的原因是什么、針對每一種變形原因需要采取哪種對應(yīng)的措施、這些措施在生產(chǎn)實際中如何具體使用和實施等這些問題就尤為重要。 本文通過對石油化工行業(yè)大型分段塔器設(shè)備分段熱處理變形進行理論分析研究，結(jié)合對自己在實際工作中遇到的設(shè)備焊后消除應(yīng)力熱處理變形案例進行各種分析，提出了適合大型塔器設(shè)備在進行焊后消除應(yīng)力熱處理時可以預(yù)防熱處理變形的工藝措施，現(xiàn)總結(jié)如下：大型分段塔器設(shè)備在進行焊后消除應(yīng)力熱處理時，由于自身結(jié)構(gòu)的不完整、主體材料在高溫工況下許用應(yīng)力、屈服強度等性能的大幅度下降等因素的共同影響，從而必然會產(chǎn)生設(shè)備的變形，而這種變形一般以圓度超差為主。由于壓力容器制造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施限制，設(shè)備的焊后消除應(yīng)力熱處理均采用臥式爐內(nèi)熱處理，而針對臥式爐內(nèi)焊后消除應(yīng)力熱處理的預(yù)防變形的措施為：使用的熱處理爐設(shè)備應(yīng)符合規(guī)范中規(guī)定的使用要求、使用合理的熱處理工藝、擺放支撐底座和設(shè)置設(shè)備內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)四種。對于熱處理爐溫度的控制，首先需要技術(shù)人員按照標準規(guī)范編制適合設(shè)備的熱處理工藝；另外，在每次設(shè)備熱處理操作前，需要由操作人員嚴格檢查熱處理爐的各個控制系統(tǒng)是否能夠正常工作，排除隱患。對于支撐底座的擺放，需要使用正確的底座結(jié)構(gòu)，底座包角應(yīng)滿足 150°；根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸確定支撐底座擺放的數(shù)量，且要擺放在合適的位置。對于設(shè)備的內(nèi)部支撐，應(yīng)選擇可靠的“米”字支撐結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)備的殼體厚度、各管口的尺寸規(guī)格來調(diào)整“米”字支撐布置的數(shù)量和支撐部位。 
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參考文獻(略) 

本文編號：240326